排列方式及电极距对高密度电法探测孤石的影响分析

姚 金

(广州地铁设计研究院有限公司,广东 广州 510010)

排列方式及电极距对高密度电法探测孤石的影响分析

姚 金

(广州地铁设计研究院有限公司,广东 广州 510010)

通过高密度电法在广州某地铁线路勘察孤石的探测试验,分析几种不同排列方式及电极距对孤石高密度电法探测效果的影响,同电极距时，偶极装置具较高精度，对浅部不均匀体反映也较灵敏。满足探测深度条件下，缩小电极距时，微分装置相比偶极和温纳装置其探测精度效果更明显。试验表明β和γ装置测量数据的T比值参数法具有较好的探测效果，在实际工作中值得进一步试验推广。

高密度电法;探测孤石;电极排列;电极距

花岗岩在形成演化过程中,常受构造应力和风化营力等作用形成椭球状孤石与土状风化物混杂的球状风化体,这种现象称为球状风化。球状风化体又俗称为“孤石”。由于孤石的存在会造成风化程度等级的突变,因此往往给工程勘探、施工、设计和稳定性评估造成不良影响。如对桩基的施工极易造成断桩,磨损破坏钻管,被误作弱风化基岩进行设计而导致上部结构失稳等,给工程造成很大的隐患和危害。在地铁和隧道建设盾构法施工中碰到孤石,盾构机姿态难以控制,刀座、刀盘变形,严重时会损坏盾构机刀盘,且遇到孤石掘进时震动过大,会对地面建筑产生影响[1]。

由于孤石与残积土层及全、强风化岩层具明显的电阻率差异,因而具备电法勘探的前提条件。本文通过高密度电法的不同排列方式及电极距对广州某地铁线路勘察已揭露的孤石进行试验探测,分析、讨论了三种排列方式和两种电极距对高密度电法探测孤石的效果和影响。

1 高密度电法基本原理

高密度电阻率法仍然是以岩、土导电性的差异为基础的电探方法。由于高密度电法采用程控电极转换器,由微机控制选择供电电极和测量电极,因而实现了高效率的数据采集。进行二维断面测量时,一次布极可完成横向和纵向二维勘探过程,既能反映地下某一深度沿水平方向岩土体的电性变化,又能提供地层纵向的电性变化情况,同时具备电剖面法和电测深法两种方法的综合探测能力。数据处理时,经软件对数据处理后,可自动生成各测深点曲线及各剖面层或整体剖面的图像[2]。

2 试验场地概况

3 探测试验

为了满足探测深度,本次首先采用4 m电极距用60道电极进行不同排列方法的探测试验,揭露孤石群的大约中心位置位于测线的124 m处。本次试验共施测了温纳装置(α排列)、偶极装置(β排列)、微分装置(γ排列)三种方法,各排列探测数据反演如图1。

从采用4 m电极距实施探测的三种排列的反演效果图来看,温纳装置反演图显示有三处高阻异常,异常中心位置分别位于68 m、152 m和194 m,因68 m及194 m异常均位于隧道外且无钻孔资料,此次不作讨论。中间部位的高阻异常推断与孤石群的赋存有关,但该异常显示范围明显较大,为124～168 m位置,实际揭露的孤石位置却位于该异常边缘,表明探测效果不甚理想。偶极装置探测效果相对较好,在64 m和124 m位置均有高阻异常,其中124 m位置异常与已揭露的孤石体空间位置对应较好。微分装置反演图高阻异常分布与温纳装置相似,在124 m位置同样没有较明显的圈闭高阻体异常显示。

图1 4 m电极距三种装置探测效果对比图Fig.1 Contrast diagram of prospecting effect of three kinds of device about distance between electrodes of 4 m

实际工作中,除直接利用各装置的视电阻率断面图外,还可针对具体的地质任务和地球物理条件,编制不同装置数据的比值参数图进行解释,通称为比值法。分析上述三种装置视参数异常的分布特征,笔者选择了β和γ两种装置的测量数据求取比值参数,该比值参数的计算公式为:

由于β和γ这两种装置在同一地电体上所获得的视参数总是具有相反的变化规律,因此用该参数绘制的比值断面图,在反映地电结构的分布形态方面,要比单一装置的视电阻率断面图清晰和明确的多[3]。如图2高阻异常深度、水平位置与实际揭露孤石位置较为吻合,异常范围也缩小许多,改善了探测效果的聚焦能力。

图2 T比值反演(T为β电阻率与γ电阻率比值)Fig.2 Inversion of T ratio

从以上探测试验来看,就本场地在电极距为4 m时,即电极距要比探测目标体横向直径要大的情况下,偶极装置探测效果相比其它两种装置要好,同样采用T比值法也获得了较好的探测效果。据此说明偶极装置比温纳及微分装置分辨率要高,对高阻异常体反映较灵敏。

实际工程中,孤石分布及其大小均无规律可循,其大小从几十厘米到十多米都有,若采用较大电极距进行探测则容易漏掉较小的孤石目标体。缩小电极距是提高探测精度最直接的方法,此次为了获得更好的探测精度且又能满足探测深度要求,选择采用120道电极和2 m电极距进行试验探测。由于采用120道电极时需利用两个转换箱,4根30道电缆线,重新布设测线时,测线的水平起始位置稍有变动,揭露孤石钻孔位于该测线的105 m位置。2 m电极距的三种装置反演成果如图3。

图3 2 m电极距探测反演图Fig.3 Inversion chart of distance between electrodes of 2 m

对比分析电极距为4 m和2 m时的反演图,温纳和微分装置采用2 m电极距时探测的高阻异常形态及其与已知孤石体对应位置明显比4 m时的效果要好。2 m电极距温纳装置反演图见图3-a。由图可见,在105 m处下方正好对应一圈闭高阻异常,但其形态呈扁平状,范围仍较大,表明其对局部小尺寸高阻体异常聚焦反映较差。2 m电极距偶极装置反演图见图3-b。由图可见,反演图上高阻异常个体显示较多,显然与偶极装置对地表不均匀体反应灵敏有关,这些非目标物异常,进一步增加了解释难度。此外,在90 m左右的高阻异常形态与实际揭露的孤石体较为接近,显示偶极装置垂向上电性反应较好,至于水平位置上所出现的偏差,这可能是受到地表不均匀体的干扰造成。2 m电极距微分装置反演图见图3-c。由图可见,在微分装置反演图上105 m位置下出现一明显的圈闭高阻异常,异常中心深度约为18 m,这与实际揭露到的孤石位置吻合较好。

4 结论

本次试验工作表明,高密度电法用于探测孤石方法可行。实际工作中可通过方法有效性试验结合场地条件分析来选择合适的装置形式及电极距进行探测,以取得较理想的勘探效果。

对于装置形式和电极距的选择,通过本次试验可归纳出以下认识:

(1) 相同电极距,偶极装置较温纳和微分装置的探测精度要高,对高阻异常体及垂向上电性变化反应较灵敏。但由于偶极装置对浅表不均匀体的反应也较灵敏,故此时容易导致采集数据质量不高甚至产生假异常,从而增大了解释的难度。

(2) 在保证探测深度的前提下,对于温纳和微分装置而言,缩小电极距可提高温纳和微分装置的探测精度。但温纳装置因其具较强的体积勘探效应,分辨率仍相对较低。对于微分装置,缩小电极距观测所获得的异常与孤石体对应关系明晰,显示出较佳的探测效果。

(3)β和γ装置测量数据的T比值参数法在本次孤石探测中效果较好:无论是异常的聚焦性,还是异常与孤石位置的吻合度都堪称最优,在今后实际工作中值得进一步试验推广。

(4) 此次试验结果还表明,温纳和微分装置在电极距大于目标体的情况下,探测效果都不理想;当缩小电极距时,对异常体均有异常反应,而微分装置明显优于温纳装置,但温纳装置探测深度要比微分装置深。综合分析认为,偶极装置较适用于浅部较高精度的探测,而温纳装置则适用于较深部异常体的探测[4]。

[1] 李红立,张华,汪传斌.跨孔超高密度电阻率法在花岗岩球状风化体勘探中的试验研究[J].工程勘察,2010(8):88-92.

[2] 杨学义,蔡光桃,王惠兵,等.高密度电阻率法在基岩面探测中的应用[J].岩土工程,2007,27(9):87-90.

[3] 李世峰,金瞰昆,周俊杰,等.资源与工程地球物理勘探[M].北京:化学工业出版社,2007.

[4] 郭秀军,王兴泰.用高密度电法进行空洞探测注意的几个问题[J].物探化探,2001(8):306-315.

(责任编辑：陈文宝)

Effect Analysis of Dectection of Boulder from the Arrangement and ElectrodeDistance by High Density Electrical Method

YAO Jin

(GuangzhouMetroDesignandInstituteCo.,Ltd.Guangzhou,Guangdong510010)

Through different arrangement and electrode distance using high density electrical method of Guangzhou subway line investigation has revealed the boulder detection test,analysis of arrangement and electrode distance on the high density resistivity method to detect the effect and influence of boulder.Dipole device with high precision is sensitive to reflection of the shallow body with the electrode distance. Meeting the requirement of detecting depth,differential device is more obvious about improving the detection accuracy compared with dipole device and Winner device.The test results show that theTratio parameter method of the measurement data of beta and gamma device has good detection effect,and is worthy of further testing in practice.

high density electrical method; detection of boulder; electrode arrangement; electrode distance

2014-12-01;改回日期:2015-01-29

姚金(1981-)，男,工程师,硕士,地球物理探测与信息技术专业,从事工程勘察与工程物探工作。E-mail:yaojin_2007@sina.com

P631.3

A

1671-1211(2015)03-0343-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503023

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150601.0940.001.html 数字出版日期:2015-06-01 09:40